梁東升，黃文景，楊建紅

(1.廣西路橋集團道橋分公司，廣西 南寧 530001； 2.福建南方路面機械有限公司， 福建 泉州 362021； 3.華僑大學 機電及自動化學院，福建 廈門 361021)

0 引 言

干燥滾筒是對冷濕物料進行烘干加熱的裝置，其內部依次布置有螺旋導料葉片、揚料葉片、含料葉片及出料葉片等。當滾筒旋轉時，揚料葉片將物料提升并在不同位置撒落，從而使物料與熱煙氣充分接觸而被烘干[1]。揚料葉片設計合理與否，將直接影響物料拋撒的均勻性，從而影響干燥滾筒的熱效率。

干燥滾筒揚料葉片的傳統(tǒng)設計方法是通過經驗公式計算，并反復進行揚料均勻性試驗調整葉片結構參數(shù)，以保證葉片揚料的均勻性。這種設計方法費工耗時且易受工作參數(shù)的影響。本文應用離散元分析軟件EDEM，以葉片揚料均勻性為試驗目標，以葉片折彎角度、腹板高度以及翼板高度與腹板高度的比值為試驗因素進行正交仿真試驗，研究相關參數(shù)對葉片揚料均勻性的影響規(guī)律，確定葉片最佳結構參數(shù)，并與實際結果進行對比，為干燥滾筒揚料葉片結構設計提供理論依據(jù)。

1 一道折彎揚料葉片的設計

設計的一道折彎揚料葉片應用于直徑2 500 mm、轉速8.3 r·min-1的干燥滾筒，由腹板和翼板兩部分組成，腹板與翼板之間有一定的角度，其三維設計如圖1所示。根據(jù)設計及保證葉片結構強度的要求，初步選定葉片長度為1 000 mm、厚度為8 mm、折彎半徑為5 mm，腹板高度范圍為140～170 mm，翼板高度與腹板高度比值范圍為0.5～1.25，折彎角度范圍為90°～135°。

圖1 一道折彎葉片結構

2 EDEM離散元仿真

2.1 離散元模型的建立

進行葉片揚料均勻性試驗時，將葉片固定于直徑為2 500 mm的圓筒內，圓筒以8.3 r·min-1的轉速旋轉一周，葉片將置于筒體底部的砂石料提升并拋撒，在圓筒中心水平徑向方向放置10個取樣格用于接收葉片拋撒下來的物料；之后對每個取樣格內的物料稱重，計算變異系數(shù)，變異系數(shù)越小，則葉片揚料均勻性越好，反之則越差。

本研究采用Hertz-Mindlin相關理論建立砂石顆粒與揚料葉片離散元仿真模型[2-5]，如圖2所示。葉片、筒體、取樣格的材質為鋼，試驗顆粒材質為石灰?guī)r，具體仿真參數(shù)如表1所示[6]。

圖2 葉片揚料均勻性試驗離散元仿真模型

2.2 正交仿真試驗

考慮到正交試驗在研究多因素多水平問題時高效性的特點，選擇常用的L正交表安排仿真試驗[7]。試驗因素水平如表2所示。

表1 葉片揚料均勻性試驗仿真參數(shù)

表2 葉片揚料均勻性試驗因素水平

試驗目標為葉片揚料的均勻性，計算每次試驗取樣格內物料質量的變異系數(shù)，以變異系數(shù)作為衡量葉片揚料均勻性的指標[8-13]。按照試驗要求，依次完成16組試驗，試驗結果如表3所示。

3 仿真試驗結果分析

由表3可知，葉片腹板高度對揚料均勻性影響最大，折彎角度次之，翼板高與腹板高比值的影響最小。最優(yōu)方案應該是葉片腹板高度取第1水平，折彎角度取第3水平，翼板高與腹板高比值取第2水平。

表3 葉片揚料均勻性正交試驗結果

正交仿真試驗得出的最優(yōu)方案并未在已經做過的16次試驗中出現(xiàn)，但與第3號試驗接近。第3號試驗中只有翼板高與腹板高的比值不是處于最好水平，且變異系數(shù)并非9次試驗中最小的。故對正交仿真試驗得出的最優(yōu)方案再進行1次仿真試驗。最優(yōu)方案仿真試驗結果如圖3所示，變異系數(shù)為0.181，為所有已做試驗中最小。

圖3 最優(yōu)方案仿真試驗結果

葉片揚料均勻性EDEM離散元仿真試驗結果表明，對于直徑2 500 mm、轉速為8.3 r·min-1的干燥滾筒，當一道折彎葉片腹板高度為140 mm、折彎角度為120°、翼板高與腹板高比值為0.75時，葉片揚料均勻性最好，滾筒內的料簾均勻性最優(yōu)。

4 仿真結果與實際對比

為考察最優(yōu)結構參數(shù)葉片的實際作業(yè)效果，根據(jù)仿真試驗結果，試制出相應的一道折彎葉片并進行葉片揚料均勻性檢驗。葉片揚料均勻性試驗裝置如圖4所示。

圖4 葉片揚料均勻性試驗裝置

試驗物料為瀝青混合料AC-20的原料，滾筒內物料質量與仿真試驗料質量保持一致，為150 kg，取樣格置于滾筒中心水平面位置，滾筒以8.3 r·min-1的轉速旋轉一圈，試驗結果如圖5所示。取樣格物料質量變異系數(shù)為0.189，略大于仿真最優(yōu)結果，取樣格物料質量與仿真結果的標準差為0.362，2條曲線基本吻合。

圖5 仿真與實際試驗結果對比

5 結 語

本文設計了一種一道折彎干燥滾筒揚料葉片，建立葉片揚料均勻性試驗EDEM離散元仿真，對葉片主要結構參數(shù)進行正交仿真試驗。結果表明，葉片的主要結構參數(shù)對揚料均勻性的影響從大到小依次為：腹板高度、折彎角度、翼板高度與腹板高度比值。對于直徑為2 500 mm、轉速為8.3 r·min-1的干燥滾筒，當葉片腹板高度取140 mm、折彎角度取120°、翼板高度與腹板高度比值取0.75時，葉片揚料均勻性最好。

葉片揚料均勻性仿真試驗與實際試驗結果基本吻合，基于離散元仿真軟件EDEM的干燥滾筒揚料均勻性仿真試驗可有效替代葉片揚料均勻性真實試驗，為干燥滾筒揚料葉片設計提供理論依據(jù)。